Unidad 3: Dispositivos electrónicos

Tecnología

4º ESOgabriela-teacher.blogspot.com

Índice1. Introducción a la electrónica2.Componentes electrónicos básicos3.Circuitos integrados: Amplificadores operaciones y temporizadores

Actividades a realizar1. Actividades de clase.2.Prácticas de taller.

1. Introducción a la electrónica

1.1. ¿Qué es la electrónica?Rama de las Ciencias Físicas.

Un circuito es electrónico (y no eléctrico) cuando:- Funciona con intensidades (miliamperios mA) y tensiones

bajas.- Se destina a aplicaciones de cálculo (informática), control

automático o manejo de señales de radio.- tiliza elementos semiconductores.

1.2. ¿Qué es un material semiconductor?Por la configuración de sus átomos:- Al ganar energía (calor, luz, pequeño voltaje, un golpe…) se

convierten en conductores.- Al perder esa energía (frío, quietud…) son aislantes.

Los materiales semiconductores pueden ser:- Intrínsecos Formados por un solo tipo de átomo Silicio

(Si) y Germanio (Ge).- Extrínsecos Formados por estructuras moleculares de

distintos tipos de átomos (combinaciones de Silicio con Boro, Fósforo o Antimonio).

1.3. ¿Qué es un sistema electrónico?

ENTRADA SISTEMA ELECTRÓNICO

SALIDA

Conjunto de componentes electrónicos conectados de forma que al aplicar una señal de excitación a la entrada, el sistema proporciona una respuesta a la salida.

2. Componentes electrónicos básicos

2.1. Tipos de componentes

2.2. Componentes activos: Resistencias2.2.1. Definición

Su valor depende de:- Su longitud (l) en m.- Su sección (S) en mm2.- La resistividad del material del que está hecha (ρ) en Ω· mm2 /m.

Símbolos:

Su unidad de medida es el ohmio (Ω). También se utilizan múltiplos del ohmio:

Kiloohmio: 1 k Ω = 1.000 ΩMegaohmio: 1 M Ω = 1.000.000 Ω

Componente electrónico que se opone al paso de la corriente eléctrica. Funciona transformando la corriente eléctrica en energía calorífica.

2.2.2. La ley de Ohm

Recordamos la Ley de Ohm:La intensidad de corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional a la tensión aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia que este opone al paso de la corriente eléctrica.

2.2.3. Utilidad de las resistencias

Las resistencias se usan para proteger los elementos de un circuito: a) En serie con un componente, reducen la tensión que circula

por él.

b) En paralelo con un componente, limitan la intensidad de corriente que circula por él.

En este montaje, la bombilla soporta una caída de tensión de 9V

En este montaje, la bombilla soporta una caída de tensión de 3V

En este montaje, la bombilla es atravesada por una corriente de 15mA.

En este montaje, la bombilla es atravesada por una corriente de 7,5mA.

2.2.4. Tipos de resistencias

Existen dos tipos de resistencias:

a) Fijas: Su valor es constante. Se identifican mediante un código de color.

b) Variables. Existen distintos subtipos: Potenciómetros: Su valor puede ser modificado por el usuario

mediante un mando. LDR (light dependent resistor): Su valor cambia al ser

iluminadas por la luz. Termistores: Su valor aumenta a medida que se calientan o

enfrían. VDR (voltage dependent resistor): Su valor depende de la

tensión.

2.2.4.a Resistencias fijas: Código normalizado de color

Tienen normalmente 4 bandas de color (a veces 5):- La 1ª banda indica la primera cifra del valor de la resistencia.- La 2ª banda indica la segunda cifra del valor.- La 3ª banda indica el número de ceros que siguen a los dos números anteriores (10n).- La 4ª banda indica la tolerancia o margen de error de la resistencia (ninguna resistencia tiene siempre el mismo valor).

Código de colores para las tres primeras bandas:

Código de colores para la cuarta banda:

¿Puedes identificar los valores de estas resistencias?

2.2.4.b Resistencias variables

PotenciómetrosTienen indicado un valor nominal.Accionando su mando, su valor puede variar entre

0 Ω y su valor nominal.Se utilizan para regular la intensidad en

determinados circuitos, variando el nivel de luminosidad, de sonido, etc.

LDR (light dependent resistor)Se fabrica con un material fotoconductor (sulfuro

de cadmio) que no tiene electrones libres en la oscuridad (resistencia elevada). En presencia de luz, libera electrones (valor resistencia disminuye).

No cumplen la Ley de Ohm.Se emplean en dispositivos detectores de

luminosidad, oscuridad o presencia.

2.3. Componentes activos: Condensador2.3.1. Definición

Está formado por dos placas metálicas llamadas armaduras separadas por un material aislante llamado dieléctrico.

Entre las armaduras, por tanto, no hay paso de corriente, sino que se crea un campo eléctrico que “ordena” los electrones, provocando que una armadura se cargue + y la otra -.

Símbolos:

Cond. Electrolítico Cond. Papel o cerámica(polarizado, peligrosoInvertir)

Componente electrónico cuya misión es almacenar carga eléctrica para después cederla a un circuito.

La carga Q almacenada por un condensador (en culombios C) es el producto de su capacidad C (en faradios F) por la tensión E entre sus armaduras (en voltios V).

Cuanto mayor sea la capacidad de un condensador, mayor cantidad de carga podrá almacenar en él.

La unidad de Capacidad de un condensador es el faradio (F). También se utilizan submúltiplos del faradio:

Microfaradio: 1 μF= 10-6 FNanofaradio: 1 nF= 10-9 FPicofaradio: 1 pF= 10-12 F

Q = C · ECondensador electrolítico de 3300 μF. Polarizado, cátodo al polo negativo de la pila.

Condensador cerámico de 10-4 F

Cátodo

Ánodo

2.3.2. Funcionamiento

Suponemos el condensador descargado y conectado en serie con una resistencia y una fuente de alimentación continua:

En la posición 1 del conmutador, el condensador se va cargando a través de la resistencia R hasta alcanzar el valor:

Vc = Condensador cargado

Una vez cargado el condensador, ponemos el conmutador en la posición 2 y el condensador se descarga a través de la resistencia.

2.3.3. Tiempo de carga

Mientras el condensador se carga o descarga, atraviesa un régimen transitorio. Cuando no gana ni pierde carga, está en un régimen permanente.

Las curvas de carga y descarga de un condensador son:

El tiempo que tarda un condensador en cargarse viene dado por la expresión:

Los usos más frecuentes son: flash de cámaras, baterías, tubos fluorescentes, motores de arranque, y compensación del factor de potencia en instalaciones industriales, entre otras.

2.3.4. Usos de los condensadores

Los usos más frecuentes son: Flash de cámaras. Baterías. Memorias. Tubos fluorescentes. Motores de arranque. Compensación del factor de potencia en instalaciones

industriales. Osciladores Modulación y demodulación de ondas de radio etc

2.3.5. Asociación de condensadores

Asociación en serie

Asociación en paralelo

Ceq = C1 + C2 +…+ Cn

2.4. Componentes pasivos: Diodo LED2.4.1. Definición

Los diodos son elementos pasivos formados por dos materiales semiconductores diferentes (tipo P y tipo N) que, al entrar en contacto, producen un movimiento de electrones entre las zonas P (positivo-ánodo)-N (negativo-cátodo).

En el caso de los diodos LED, esta corriente genera luz.

Símbolo del diodo LED:

Es un tipo de diodo compuesto para que emita luz de distintos colores.

2.4.2. Polarización de los diodos

Los diodos están polarizados, es decir, solo permiten el paso de corriente en una dirección: cuando el cátodo está conectado al polo negativo de la pila.

Cátodo

Ánodo

2.4.3. Limitaciones de los diodos

Los diodos LED pueden soportar sólo ciertas diferencias de potencial (según el color). Estas tensiones son de alrededor de 2V, por lo que hay que conectar una resistencia en serie con ellos cuando se conectan directamente a una pila de tensión mayor.

La intensidad máxima que pueden soportar sin quemarse es de unos 20 o 30 mA.

En esta tabla se recogen las tensiones e intensidades umbral para los colores más frecuentes:

2.3.4. Usos de los diodos

Los usos más frecuentes de los LED son: Interruptores para no permitir el paso de la corriente en una

cierta dirección. Modulación de señales de radio, impidiendo el paso semiciclos

de onda negativos. Conversión de la corriente alterna en continua. Multiplicación o división de tensión.

En el caso de los diodos LED: Presente en más del 90% de las tecnologías de iluminación. Señalización. Monitores y pantallas LED. Cámaras de vigilancia. Indicadores de estado (on/off) de máquinas y

electrodomésticos. Los LED de luz infrarroja se usan en mandos a distancia y

control remoto.

2.5. Componentes pasivos: Transistor2.5.1. Definición

Existen dos tipos de transistores según la disposición de los semiconductores:

Es un componente electrónico formado por una doble unión P-N, es decir, por dos diodos enfrentados. Su misión es controlar la intensidad que circula entre dos de sus terminales.

2.5.2. TerminalesEl Emisor y el Colector son los

terminales que emiten o reciben las cargas móviles que atraviesan el transistor (según el tipo).

La Base es el soporte el emisor y el colector, y se sitúa entre ambos. Es estimulada por una corriente mucho menor que la que circula entre E y C.

Los terminales de los transistores no son identificables a simple vista. Cada modelo presenta una distribución que el fabricante nos facilita.

2.5.3. Funciones

1.- Como interruptor, dejando pasar o cortando señales eléctricas a partir de una pequeña señal (funcionamiento en corte).

2.- Como amplificador de señales, convirtiendo una señal pequeña en una más grande (funcionamiento en saturación).

3.- Otras funciones: oscilador, conmutador, rectificador…

2.5.4. Funcionamiento del transistorUn transistor puede tener 3 estados en un circuito, que

entenderemos mediante un símil hidráulico:

- Funcionamiento en corte: al no haber presión en B, la válvula no se levanta y no hay paso de agua entre E y C Sin corriente en B, funciona como un interruptor abierto, no pasa corriente de E a C.- Funcionamiento en activa: si la válvula B recibe algo de presión, sube y empieza a pasar agua de E a C Con una corriente suficiente en B, se abre el transistor y pasa una corriente intermedia entre E y C.- Funcionamiento en saturación: si llega suficiente presión, la válvula se abre totalmente y la máxima cantidad de agua pasa de E a C (nunca más del máximo) Con la corriente máxima que necesita B, circula la máxima corriente posible entre E y C.

2.5.4. Funcionamiento del transistor (2)

Las corrientes de un transistor son 3:- Corriente de base Ib

- Corriente de emisor Ie

- Corriente de colector Ic

Corrientes y tensiones en un transistor.

NPN PNP

2.5.5. Fórmulas del transistor

Ie = Ic + Ib

Llamamos ganancia β a la relación de amplificación de la corriente en el transistor: relación entre la corriente de salida y la necesaria para activarlo.

ATENCIÓN: Los transistores solo pueden soportar ciertas tensiones máximas de salida.

β = Ic / Ib

ATENCIÓN: Como la corriente necesaria en la base es muy pequeña, las tensiones de colector y emisor son prácticamente iguales.

La potencia máxima que puede disipar el transistor es importante para elegirlo.

ATENCIÓN: Si lo conectamos a un receptor, el transistor debe ser capaz de disipar la potencia del receptor para no quemarse.

P= Vc-e · Ic

Vce = Vcb + VbeLas tensiones de base son

iguales a la tensión de salida.

2.5.6. Circuito básico de un transistor

Receptor de salida

Resistencia de base: protege la base de intensidades altas

Fuentes de alimentación (1 ó 2)

2.6. El montaje de los componentes electrónicos: El circuito impreso.

El circuito impreso es una placa de baquelita o fibra de vidrio recubierta, en una o ambas caras, por superficies conductoras (cobre) sobre la cual se tienen que montar y soldar los componentes.

3. Circuitos integrados. Amplificadores operaciones y temporizadores

3.1. Introducción

Los microprocesadores son CI complejos con más de 100 millones de transistores.

Los circuitos integrados (también llamados chip o microchip) son circuitos con un uso específico, compuestos de elementos simples (diodos, condensadores, transistores…) fabricados en una oblea de silicio, miniaturizados y protegidos por una carcasa de plástico. Sus terminales se conectan para darles señal y para recoger resultados.

3.2. Amplificador operacional μ741

Circuito integrado que aumenta una señal de entrada, por ejemplo la señal de voltaje de un micrófono para que salga por un altavoz o la señal de antena de una televisión.

Símbolo del chip

Señal de entrada

Alimentación desde terminal - pila

Alimentación desde terminal + pila

Señal de salida

3.3. Temporizador NE555

Circuito integrado capaz de general señales temporales con mucha estabilidad y precisión. Se emplea como circuito base de muchos dispositivos de control del tiempo: relojes, temporizadores, retardadores, intermitentes…

Símbolo del chip

Señal de entrada

Alimentación desde terminal - pila

Alimentación desde terminal + pila

Señal de salida